張啟華 康 順 謝之昂 張為棟 閆召旭 匡世波

?(江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江212000)

?(莫納什大學(xué)工程學(xué)院，澳大利亞墨爾本3800)

研究表明，使用竹子、秸稈等天然材料制成的纖維懸浮液在流場中具有減阻效果，可在一定程度上實現(xiàn)節(jié)能減排，進(jìn)而減少環(huán)境負(fù)荷[1-2]。通過對圓管中含馬來西亞稻草纖維粒子懸浮液的壓降測量，Ahmed等[3-4]觀察到了質(zhì)量濃度為0.6%的纖維粒子在流速為2.8m/s的流場中流動時產(chǎn)生的減阻效應(yīng)。通過對長度范圍5～25mm，濃度范圍在0.1%～0.4%的秸稈纖維粒子懸浮液的測量表明阻力是增加的[5]?？梢姡煌螤?、尺寸纖維粒子可以產(chǎn)生完全相反的阻力特性。然而，上述現(xiàn)象背后的物理機(jī)理尚缺乏系統(tǒng)的闡釋。

以往工程研究中報道的減阻案例并不多。通過在水力旋流器中添加濃度為0.9%的牛皮紙漿纖維，最多可減少58%的阻力[6]。在泵送小麥秸稈纖維粒子(<3.2 mm)的過程中，也出現(xiàn)了類似的減阻現(xiàn)象[7]。在造紙工業(yè)中，紙漿輸送主要通過離心泵來提供動力。因此，減阻特性有望在制漿、造紙和污水處理等離心泵參與的典型工業(yè)流程中發(fā)揮巨大的節(jié)能潛力。

通過對造紙業(yè)的調(diào)查表明，截至2018年，中國已連續(xù)9年成為全球最大的紙張紙板供應(yīng)商和需求市場[8]。造紙行業(yè)約占全球電力消耗的10%，其中，泵占了造紙行業(yè)電力消耗的28%。選擇合適的泵能夠極大地提高造紙業(yè)的能源利用效率[9]。在輸送紙漿懸浮液時，泵的性能與輸送清水時有很大不同，通過對6臺泵的現(xiàn)場測試表明，輸送懸浮液比輸送清水預(yù)計可節(jié)省200～1200 MW·h[10]?？梢?，如果能夠?qū)斔屠w維懸浮液的泵特性有深入的研究，就有實現(xiàn)節(jié)約大量能源的可能。

為了揭示纖維?流場相互作用，Capone等[11]對質(zhì)量濃度為0.002%和0.006%的尼龍纖維懸浮液進(jìn)行了粒子圖像測速法(particleimagevelocity,PIV)測量。Fan等[12]利用PIV分別拍攝體積濃度為0.1%和0.2%的攪拌槽內(nèi)的尼龍纖維取向分布。現(xiàn)有的實驗研究主要是在未產(chǎn)生減阻效應(yīng)的稀溶液(遠(yuǎn)低于0.1%質(zhì)量濃度)中進(jìn)行的，缺乏涉及到纖維對流場產(chǎn)生減阻特性的實驗數(shù)據(jù)。本研究利用PIV和高速攝影技術(shù)分別對質(zhì)量濃度為0.1%，0.15%和0.2%的纖維懸浮液進(jìn)行了試驗探究。

1 試驗臺搭建

1.1 試驗臺參數(shù)

泵的PIV測試系統(tǒng)如圖1所示。通過調(diào)節(jié)出口閥門改變流量工況，泵的外特性通過電磁流量計、壓力傳感器測得，再經(jīng)由泵產(chǎn)品參數(shù)測量儀采集并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)參數(shù)。泵的測試回路主要由七部分組成：調(diào)節(jié)閥、流量計、泵、吸入室、電動機(jī)、進(jìn)口閥和水箱等。

圖1 泵的PIV測試系統(tǒng)

PIV測量流速所用的示蹤粒子材料為Al2O3，直徑2～7μm。激光片光源的激光波長為532 nm，相機(jī)的拍攝頻率為7.25 Hz。高速攝影采用i-SPEED 3高速相機(jī)拍攝。其他測量儀表精度均達(dá)0.2%以上，符合國家標(biāo)準(zhǔn)2級精度要求。

1.2 泵性能參數(shù)

本試驗使用開式葉輪離心泵，其主要部件有：蓋板、葉輪和蝸殼，如圖2(a)～圖2(c)所示。蓋板與葉輪間隙控制在0.1～0.9 mm之間。泵的轉(zhuǎn)速n=1450 r/min，輸送清水流量Q=26.8 m3/h。

圖2 泵的主要部件

蓋板由不銹鋼制成(如圖2(a)所示)。為便于進(jìn)行PIV拍攝和高速攝影試驗，使用有機(jī)玻璃制成便于透光的葉輪和蝸殼(如圖2(b)和圖2(c)所示)。葉輪和螺旋式蝸殼的幾何參數(shù)列于表1和表2中。

表1 葉輪的幾何參數(shù)

表2 螺旋式蝸殼的幾何參數(shù)

1.3 空間分辨方法和纖維粒子參數(shù)

為嚴(yán)格劃分流場空間結(jié)構(gòu)，分別截取不同截面、不同半徑上(葉輪半徑的75%和95%)和不同流線上(吸力面、壓力面)的相對速度，具體位置如圖3(a)和圖3(b)所示。

通過對秸稈、頭發(fā)纖維進(jìn)行PIV試驗，發(fā)現(xiàn)頭發(fā)纖維在激光發(fā)射器下的表現(xiàn)良好且不對激光產(chǎn)生反射。不同于紙漿纖維，頭發(fā)纖維在水中不會發(fā)生膨脹。同時，頭發(fā)纖維可以在水中彎曲、交織并且自由懸浮。綜合考慮，本次試驗采用頭發(fā)纖維作為固相材料。試驗中使用的2～5 mm的纖維樣品如圖3(c)所示。

圖3 激光片光源位置、葉片流線位置及纖維樣本示意圖

1.4 試驗臺精度分析

水泵效率的測量不確定度主要由流量、揚(yáng)程及電機(jī)輸入功率的不確定度構(gòu)成，表示為

其中，流量計的精度滿足0.5級的要求，其相對不確定度為

揚(yáng)程的不確定度由壓力變送器表征，其不確定度為U=0.1%(K=2)，故

輸入功率由扭矩傳感器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀表征，其不確定度均符合。故

綜上，水泵效率測量的不確定度為

可得出本試驗臺的精度滿足GB/T3216–2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2級精度要求。

2 輸送纖維懸浮液的泵的性能

泵在輸送清水以及0.1%，0.15%和0.2%質(zhì)量濃度纖維懸浮液的性能曲線如圖4所示。從圖中可以看到，隨著濃度的增加，泵的揚(yáng)程變化并不明顯，而泵的效率具有隨著濃度的增加而增長的趨勢。這表明，纖維懸浮液的減阻效果隨著濃度的增加，作用越發(fā)明顯。

圖4 清水和0.1%，0.15%及0.2%濃度纖維懸浮液的泵性能曲線

為了研究減阻特性的機(jī)理，首先進(jìn)行PIV試驗，以觀測纖維對流場的影響，隨后進(jìn)行高速攝影以進(jìn)一步研究纖維的分布特性及其對流場的影響。

3 PIV試驗中纖維粒子對流場的影響

3.1 不同半徑上的流場分析

圖5所示為Z2截面75%半徑所在位置，質(zhì)量濃度分別為0.1%，0.15%和0.2%的相對速度曲線圖，其中，橫坐標(biāo)表示相對位置的變化，下同。當(dāng)流量為0.4Q時，三種濃度的速度差異較大。當(dāng)流量為1.0Q和1.4Q時，流場流動平穩(wěn)無明顯差異。事實上，0.4Q產(chǎn)生的差異主要在于失速導(dǎo)致的流動不穩(wěn)定性。在1.0Q流量下，相對速度隨濃度的增加而減小。在1.4Q流量下，相對速度隨濃度的增加而增加。

圖5 不同流量下截面Z2上75%半徑處的相對速度

圖6所示為Z2截面上95%半徑處，質(zhì)量濃度為0.1%，0.15%和0.2%時的相對速度曲線圖。類似于上述情況，相對速度在0.4Q流量時表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性。當(dāng)流量為1.0Q和1.4Q時，相對速度大小隨著濃度的增加而增加。

圖6 不同流量下Z2截面上95%半徑處的相對速度(續(xù))

圖6 不同流量下Z2截面上95%半徑處的相對速度

為了說明速度場與泵能量轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系，列出旋轉(zhuǎn)參考系下的穩(wěn)態(tài)流動能量守恒方程

通過移項并忽略水平高度差，可以得到

從式(7)右邊第一項可以看出，相對速度水頭在總能量中占據(jù)很大的比重。值得注意的是，等式(7)右邊第二項是恒定的。可見，通過減少相對速度水頭損失可達(dá)到節(jié)能的效果。

一般來說，隨著流量的逐漸減少，通過葉片來控制相對流動變得很困難。對于纖維懸浮液而言，隨著濃度的增加，相對速度可以達(dá)到更高的水平?？梢钥隙ǖ氖侨~片對相對速度流場具有更好的可控性。

3.2 不同濃度下的流場分析

Z2截面上，當(dāng)流量為1.0Q時，沿吸力面、中間截面和壓力面的相對速度如圖7所示。在這三種情況下，相對速度從前緣到后緣逐漸增加。隨著濃度從0.1%，0.15%到0.2%，相對速度分布越來越接近。為了解釋這種現(xiàn)象，需要用到水力學(xué)原理：根據(jù)亥姆霍茲定理，葉片周圍相對速度的積分等于葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

圖7 Z2截面上1.0Q流量不同濃度下沿不同流面的相對速度

通過對葉片的壓力側(cè)和吸力側(cè)運(yùn)用能量守恒定律，可以推導(dǎo)出

結(jié)果表明，相對速度差決定了沿葉片表面的壓力分布，而壓力分布決定了葉輪的扭矩大小。

由圖7可知，當(dāng)纖維懸浮液濃度為0.1%時，吸力面與壓力面之間的相對速度差較大，而隨著濃度的增加，相對速度差逐漸減小，這也使得葉輪扭矩逐漸減小。

3.3 不同截面上的流場分析

圖8為Z1和Z3截面上95%半徑位置處，0.1%，0.15%和0.2%質(zhì)量濃度的懸浮液相對速度曲線圖。與圖6所示的Z2截面上的相對速度相比，在Z1截面上，局部速度振蕩較為劇烈，從吸力面到壓力面的相對速度變化較小，這樣的速度分布也意味著葉片負(fù)載較低。而Z2和Z3截面上速度變化劇烈，這意味著葉片負(fù)載較大。隨著濃度從0.1%，0.15%增加到0.2%，上述情況的相對速度都有增大的趨勢。

圖8 不同截面上1.0Q流量95%半徑位置處的相對速度

4 纖維粒子分布的高速攝影試驗

通過i-SPEED高速攝影相機(jī)拍攝泵葉輪流道內(nèi)纖維粒子的分布，拍攝濃度為0.15%和0.3%。圖9(a)～圖9(c)分別對應(yīng)在0.15%質(zhì)量濃度下，流量為0.4Q，1.0Q和1.4Q的纖維分布情況。流量為0.4Q時，幾乎所有纖維粒子都受高剪切力的作用，都沿著圓周方向運(yùn)動。在1.0Q時，纖維粒子取向分布隨機(jī)，其中纖維間的接觸并不明顯。這表明大多數(shù)粒子可以自由運(yùn)動，而不會與其相鄰粒子發(fā)生接觸碰撞。流量為1.4Q時，纖維粒子取向分布隨機(jī)，纖維之間的相互作用不斷增強(qiáng)，但很少有纖維粒子附著在葉片表面或蝸殼隔舌上。并且，隨著流量的增加，圍繞在軸端處的氣泡逐漸變大。

圖10所示為0.3%質(zhì)量濃度的纖維粒子分布示意圖。當(dāng)流量為0.4Q時，纖維傾向于沿著圓周方向運(yùn)動。當(dāng)流量為1.0Q時，大多纖維粒子的取向分布變得更加隨機(jī)，少量粒子依然呈現(xiàn)圓周方向運(yùn)動。在1.4Q時，粒子幾乎是隨機(jī)分布的。在每種工況下，纖維間的相互作用明顯。和0.15%濃度的情況相似，隨著空氣越來越多地進(jìn)入輸送管路，氣泡隨著流量的增大而增大。

由圖4可得，隨著纖維濃度的增大，泵的效率逐漸提升，減阻效果逐漸明顯。結(jié)合圖9和圖10，在小工況條件下，纖維取向沿著圓周方向分布，而隨著流量工況的變大，纖維取向更趨向于隨機(jī)分布。在較大的運(yùn)行工況范圍內(nèi)，泵表現(xiàn)出穩(wěn)定的輸送特性，輸送過程中不會發(fā)生堵塞，也不會出現(xiàn)明顯的纖維絮凝現(xiàn)象。

圖9 不同流量下0.15%濃度的纖維分布情況

圖10 不同流量下0.3%濃度的纖維分布情況

5 結(jié)論

纖維廣泛存在于污水處理和紙漿輸送等諸多工業(yè)生產(chǎn)過程中。不同于規(guī)則的球形顆粒，纖維懸浮液具有減少阻力或增大阻力的特性，但產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原理尚沒有系統(tǒng)的研究和闡述。目前大多數(shù)纖維懸浮液的試驗是建立在質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于0.1%的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，該濃度下纖維粒子的存在并不會對流動產(chǎn)生很大的影響。

為了探索泵輸送纖維懸浮液時產(chǎn)生的減阻特性，分別采用了PIV技術(shù)和高速攝影技術(shù)對纖維粒子的分布和流動情況進(jìn)行了深入研究。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)與分析，得出以下結(jié)論：

(1)通過輸送長度為2～5 mm纖維的懸浮液進(jìn)行泵的性能測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著濃度從0.1%、0.15%增加到0.2%，泵的減阻特性逐漸明顯。

(2)隨著纖維懸浮液濃度的逐漸增大，葉輪內(nèi)的相對流動速度逐漸提高，說明其流動損失逐漸減小，同時也說明葉片對流動產(chǎn)生更好的引導(dǎo)作用。

(3)隨著纖維懸浮液濃度的逐漸增大，吸力面和壓力面的相對速度分布逐漸接近，說明葉輪扭矩隨濃度的增加而逐漸減小。